Технологический процесс водоотлива горных предприятий есть важным горнотехническим процессом шахты, и от его надежной работы зависит бесперебойность и безопасность ведения горных работ. Также главная водоотливная установка есть одним из крупных потребителей электроэнергии (до 20% общего расхода энергии), она относится к первой категории относительно надежности электроснабжения. На шахте им. М.И. Калинина используется многоступенчатый водоотлив.

Автоматизация технологических процессов на угольных шахтах одно из главных направлений повышения интенсификации, экономичности и безопасности технологических процессов шахт, создания комфортных условий работы для рабочих. Разработки новых средств и систем автоматизации на базе микропроцессоров направленные на расширение их функциональных возможностей и информационного обеспечения, унификацию аппаратуры; внедрения программного управления, технической диагностики.

Применяемая в данное время на шахте М.И. Калинина аппаратура автоматизации главных водоотливных установок не разрешает повысит эффективность процесса водоотлива. В связи с этим, актуальным есть разработка и внедрение системы автоматизации главной водоотливной установки, которая должна быть выполнена на современной элементной базе, иметь широкие функциональные возможности по управлению, контролю и диагностики, которая разрешит существенно повысить экономичность и надежность процесса откачки шахтных вод на поверхность.

Характеристика объекта автоматизации

Вода выводится из горных выработок шахты безнапорным (самотечным водоотливом) и напорным (по трубопроводам насосными установками) потоками.

Самотечный водоотлив осуществляется по канавкам, проведенных по почве выработок, геометрический наклон которых равняется необходимому гидравлическому. Маленькая скорость приводит к тому, что канавки заиливаются и их приходится систематически очищать.

Главные водоотливные насосные установки перекачивают воду на поверхность шахты, а также многоступенчатым способом - осуществляется четырьмя главными водоотливными установками, которые расположенные на горизонтах 1250г., 1070г., 758г. и 229г.

Структурная схема главных водоотливов шахты им. М.И. Калинина приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема главных водоотливов шахты им. М.И. Калинина

Технологический процесс откачивания воды с горизонта на горизонт или поверхность шахты характеризуется такими режимами работы главной водоотливной установки: пуск, рабочий режим, аварийный режим, остановка.

Режим пуска начинается из постоянного контроля уровня воды в водосборнике. При достижении водой верхнего допустимого уровня необходимо подготовить главную водоотливную установку к работе. Для этого необходимо перед включением насосного агрегата осуществить заливку рабочего насоса водоотливной установки. Окончание процесса заливки насоса необходимо проконтролировать. После заливки необходимо включить насосный агрегат и начать процесс открытия задвижки на напорном трубопроводе. В этом случае, когда насос запускается на закрытую задвижку, процесс пуска проходит наиболее благоприятно. Если пуск проходит нормально, то в нагнетательном трубопроводе устанавливается номинальное давление, насос работает с полной производительностью, и режим пуска завершается.

Наблюдения за работой водоотливных установок в технологической практике на шахте показал, что существуют: подсосы воздуха в подводящем трубопроводе, забивка всасывающих сечение рабочего колеса инородными телами, увеличение сопротивления в подводящем трубопроводе и т.п. Все это приводит к отклонению от рабочего режима, а также к возможным разным нарушениям эксплуатации насосов: порывы трубопроводов, ускоренный снос рабочих колес и т.д. Поэтому кроме обеспечения работы насосного агрегата в зоне промышленного использования необходимо осуществлять контроль и диагностику рабочих режимов водоотливной установки в целом, такие как подача насоса, его напор, потребляемая мощность, вакуум в патрубке насоса, то есть все параметры, которые характеризуют рабочий режим. Фиксация изменения каждого из перечисленных параметров в принципе может быть основой для установления гидравлической неисправности. Вместе с тем часто выбор гидравлической защиты мало обосновывается. Вместо применения защиты, которая реагировала бы на все или большинство наиболее распространенных неисправностей, применяют защиту, рассчитанную на фиксацию только одной неисправности, например полное сбрасывание подачи. Наилучшей следует считать защиту, для которой относительное изменение контролируемого параметра при конечном отклонении рабочего режима от расчетного окажется наибольшим.

Аварийный режим характеризуется проявлением отклонений от нормального режима работы водоотливной установки. К аварийному режиму могут привести ряд обстоятельств, например, кавитация, порыл водоводу, перегрев подшипников насоса или приводного электродвигателя, снижение производительности насоса, снижения давления в трубопроводе, достижение водой аварийного уровня в водосборнике. В этих случаях оператор водоотливной установки должен принять мероприятия к избежанию отрицательных явлений и возвращение технологического процесса водоотлива к рабочему режиму. Например, в случае, когда уровень воды продолжает повышаться и достигает аварийного уровня, то это означает, что приток воды в шахту превысил нормальный и подачи одного насосу недостаточно. Тогда необходимо включить параллельно в работу следующий насосный агрегат, повторив перед этом все операции режима пуска, которые были выполнены для первого насоса. А в некоторых случаях насосный агрегат должен отключатся, например, при порыве трубопровода. Аварийный режим может возникнуть и в процессе пуска. Например, если после включения приводного электродвигателя и подключения насоса к трубопроводной сети насос не развивает номинального значения давления и подачи.

Также следует отметить, что водоотливная установка оборудована мощным приводным электродвигателем (500, 800 квт), поэтому при ее работе расходуется много электроэнергии. А так как рабочий режим изменяется, то нужен постоянный контроль мощности, которая потребляется приводным электродвигателем и передача ее величины в систему АСК ТП "Электроснабжение".

1. Заливку насосу, автоматический пуск и остановку насосного агрегата в зависимости от уровня воды в водосборнике.

2. Автоматический контроль работы насосного агрегата и его отключения при значительной потере подачи насоса и перегреве подшипников.

3. Невозможность запуска не залитого насоса, при необходимости - защита насосной установки от гидравлического удара, а также защита электродвигателя от перегрузки.

4. Автоматическое включение резервного насосного агрегата при неисправности рабочего, и насосного агрегата, настроенного для работы от датчика аварийного уровня воды, при наличии соответствующего количества воды в водосборнике.

5. Дистанционный контроль состояния насосных агрегатов и аварийного уровня воды в водосборнике.

6. Возможность ручного управления отдельными насосными агрегатами.

7. Контроль величины активной мощности, потребляемой приводным электродвигателем насоса.

8. Соблюдения внепикового режима электропотребления, т.е. автоматическое совмещение технологических перерывов в работе водоотлива с установленными периодами максимума электрической нагрузки в энергосистеме.

9. Контроль и сигнализацию диспетчеру о значение текущего уровня воды в водосборнике.

10. Контроль кавитационных режимов насосов.

11. Определения скорости изменения уровня воды в водосборнике.

12. Прогнозирования состояния водосборников и скорости изменения уровня.

13. Обеспечения внепикового потребление электроэнергии всеми водоотливными установками.

Алгоритм системы автоматизации

Разработка алгоритма функционирования системы автоматизации многоступенчатого водоотлива осуществляется на основе типичных функциональных требований к водоотливу [2,6,7], а также на основании того, что проектируемая система автоматизации есть двухуровневой: на верхнем управления находится координирующий блок (КБ), а на нижнем - модуль управления (МУН) насосными установками.

Блок КБ осуществляет постоянную двустороннюю связь с всеми модулями МУН (см. рисунок 2). Программа по который работает КБ выполняется циклически. В начале цикла происходит опрашивания всех модулей МУН. При этом КБ получает полную информацию о текущем состоянии всех насосных установок на всех горизонтах. Если на некоторые из установок состоялась аварийная ситуация (аварийное отключение насосного агрегата или аварийный уровень воды ), то после расшифровки кода аварии выдается звуковое и световое сообщения диспетчеру, а также формируется команда соответствующему модулю МУН на отключение аварийной насосной установки и включение резервной насосной установки.

Далее при срабатывании датчиков уровня происходит контрольное определение скорости изменения уровня. После чего, в зависимости от текущего состояния всех насосных установок, скорости изменения уровня воды, а также прогнозируемого состояния насосных установок, водосборников и скорости изменения уровней, происходит определение моментов включения и отключения насосных установок.

Для всех водоотливных установок рассчитанные времена сохраняются в памяти, эти времена при каждом выполнении цикла программы сравниваются с текущим временем. При совпадении с КБ выдается сигнал на соответствующее МУН о включение или отключении соответствующей насосной установки.

Функциональная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма координации работы насосных установок водоотлива

Разработка схемотехнического решения системы автоматизации

Для обеспечения эффективного управления многоступенчатой водоотливной установкой предлагается система автоматизации, структурная схема которой приведенная на рисунке 3. Система состоит из двух подсистем: локальной автоматизации і-й насосной станции - модуль управления насосной станцией МУН и координирующего блока - КБ.

Модуль управления насосной станцией обеспечивает стандартные функции существующей аппаратуры автоматизации водоотливных установок (включения, отключения и контроль работы насосных установок), а также определения скорости изменения уровня воды в водосборнике и передачу информации на верхний уровень управления. Координирующий блок представляет собой программируемый микроконтроллер и обеспечивает согласованное управление і-ми насосными станциями на всех горизонтах для обеспечения уровня воды в водосборнике, где - минимальный уровень воды в водосборнике при который возможное выключение насоса и при этом уровень воды в водосборнике за период максимум нагрузки не достигнет уровня при котором возникает необходимость включения насоса.

Рисунок 3 - Структурная схема системы автоматизации водоотлива шахты им. М.И. Калинина

Структурная схема типичного модуля МУН показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структурная схема типичного модуля МУН

На рисунке 4 обозначен: БОМК - блок микроконтроллера; БУН1-БУН4 - блок управления одной насосной установкой; УСИУ - устройство сопряжения с исполнительными устройствами; УСД - устройство согласования с датчиками; БИУ - блок индикации и управления; БППИ - блок приема передачи информации.

Блок БОМК обрабатывает информацию поступающую от датчиков уровня, а также информацию поступающую от блоков управления насосами; осуществляет двухстороннюю связь с координационном блоком КБ; формирует команды на включение и отключение насосной установки; выдает необходимую информацию на блок индикации и управления.

Блок БУН выполняет основные функции по включению и отключению насосной установки; обрабатывает информацию в состоянии датчиков давления, производительности, температуры и концевых выключателей, и передает эту информацию на БОМК.

Устройство УСИУ осуществляет согласование исполнительных устройств (реле) с выходами микроконтроллера.

Устройство УСД осуществляет гальваническую развязку датчиков с входами микроконтроллера.

Основным элементом блока индикации БИУ является жидкокристаллический индикатор типа МТ-16S2Н. Данный индикатор позволяет отображать 2 сроки по 16 символов. Блок БППИ осуществляет двухстороннюю связь с координирующим блоком КБ.

Основным элементом координирующего блока КБ также является однокристальный микроконтроллер. Основными функциями координирующего блока являются функции определения моментов включения насосных установок на разных горизонтах, а также связь со всеми подземными модулями и диспетчерским ПК, а следовательно должны присутствовать соответствующие блоки согласования. Структурная схема координирующего блока показанная на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структурная схема блока КБ

На рисунке 5 обозначено: БМК - блок микроконтроллера; БППИ - блок приема-передачи информации; БСК - блок согласования с компьютером; УСМ - устройство сопряжения мнемощита.

Блок БМК выполняет все основные функции по обработке поступающей информации вот МУН. Блок БППИ осуществляет двухстороннюю связь со всеми модулями управления насосными установками. Блок БСК осуществляет согласование по уровню выходных сигналов микроконтроллера и входных сигналов компьютера. Устройство УСМ осуществляет согласование по уровню и по виду сигналов между микроконтроллером и мнемощитом.

Таким образом, внедрение перечисленных дополнительных функций в систему автоматизации водоотливных установок позволяет эффективно использовать значительные резервы экономии электроэнергии.

Перечень ссылок

© 2004 Семенов С.С.